Lehrbuch der Temperaturkalibrierung

Ausstattung eines Sekundärlabors

Das Sekundärlabor wird so genannt, weil es im Grunde keine „Primär-Normale“ verwendet. Grundsätzlich werden in einem Sekundärlabor Thermometer in Vergleichsbädern gegen Normale kalibriert. Die Vergleichseinrichtungen erzeugen ein Volumen mit einer konstanten Temperatur, in dem das Normalthermometer zusammen mit dem unbekannten, zu kalbrierenden Thermometer platziert wird. Das Normalthermometer wurde vorher in einem Primärlabor kalibriert. Um hervorragende Messunsicherheiten zu erhalten, sollte das Normalthermometer gleichzeitig mit dem unbekannten Thermometer die Temperatur des Vergleichsbades messen.

Ein Sekundär-Kalibrierlabor braucht also mehrere Thermometer, ein Messinstrument und einige stabile Widerstände. Es sollte zusätzlich mit einem oder besser mit zwei Fixpunkten ausgerüstet sein, um seine Thermometer regelmäßig überprüfen zu können.

Geräte, die für eine Vergleichskalibrierung benötigt werden:

Die nachstehende Tabelle gibt einen Überblick über verschiedene Geräte.

Temperaturbereich	Gerätetyp
-200°C bis -80°C	Flüssiger Stickstoff/Cryostat
-80°C bis 300°C	Umgewälzte Flüssigkeitsbäder
300°C bis 700°C	Fluidisiertes Aluminiumoxydbad
700°C bis 1300°C	Kalibrieröfen

Temperaturbereich von -200°C bis -80°C

1. Flüssiger Stickstoffkalibrator

Bei dem flüssigen Stickstoffkalibrator wird ein Metallblock in flüssigen Stickstoff getaucht. Die Siedepunkttemperatur von Stickstoff liegt bei –196°C, sie ist jedoch stark vom Luftdruck abhängig. Darum werden die Geräte nicht dazu verwendet eine absolute Referenztemperatur zu erzeugen. Die tatsächliche Temperatur wird über ein Normalthermometer gemessen, das ebenso wie die zu kalibrierenden Thermometer, im Block eingetaucht ist.

2. Cryostat

Das Bild zeigt einen Cryostaten. In dem Cryostat befindet sich ein isolierter Metallblock, der elektrisch geheizt werden kann. Der Block sitzt in einem großen Behältnis mit flüssigem Stickstoff. Mit Hilfe der Heizung wird die Cryostattemperatur ab der Siedepunkttemperatur des Stickstoffes, die bei ca. –196°C liegt, aufgeheizt. Der Temperaturbereich dieses Geräts erstreckt sich typischerweise von –180°C bis –50°C.

Temperaturbereich von -80°C bis 300°C

1. Umgewälzte Flüssigkeitsbäder

Die einfachste Konstruktion eines umgewälzten Flüssigkeitsbades besteht aus einem umgewälzten Tank, der mit entsprechender Flüssigkeit gefüllt ist. Diese Konstruktion ist ausreichend, vorausgesetzt, dass die Temperatur nur in der Mitte des Tanks gemessen wird. In den Ecken des Tanks wird nämlich die Flüssigkeit nicht umgewälzt und somit sind dort entweder heißere oder kältere Bereiche vorzufinden, als in dem Bereich, in dem die Flüssigkeit umgewälzt wird. Es existieren neben dieser einfachen Konstruktion noch zwei weitere, bessere Konstruktionen. Sie werden als konzentrisches oder zentrisches Doppelkammerbad bezeichnet. In diesen Konstruktionen wurden die bestehenden Grenzen der einfachen umgewälzten Tanks beseitigt.

1.1 Zentrisches Doppelkammerüberlaufbad

In dem zentrischen Doppelkammerüberlaufbad wird die Flüssigkeit dazu gebracht, in der äußeren Kammer abwärts zu fließen und in der inneren, zentrischen Kammer aufzusteigen. Die Heiz- und Kühleinrichtungen befinden sich in der äußeren Kammer. In der inneren Kammer ist der Kalibrierbereich, in den die Thermometer eingetaucht werden. Diese Konstruktion ermöglicht sehr kleine vertikale und axiale Temperaturgradienten.

1.2 Paralleles Doppelkammerüberlaufbad

Bei dieser Konstruktion sind die Heiz-, Kühl- und Umwälzeinrichtungen in einer von zwei parallelen Kammern. Die zweite Kammer ist das Kalibriervolumen. Ebenso wie bei dem zentrischen Doppelkammerüberlaufbad werden durch die zwei Kammern eine ausgezeichnete Temperaturgleichmäßigkeit und damit kleinste Kalibriermessunsicherheiten erreicht.

Ein zusätzlicher Vorteil der beiden Doppelkammerüberlaufbäder, verglichen mit der einfacheren Konstruktion des großen, rechteckigen Flüssigkeitsbades, ist, dass zum Füllen der Bäder viel weniger Flüssigkeit benötigt wird. Diese Bäder werden in der Regel mit Silikonöl gefüllt, das zum einen sehr teuer ist und zum anderen eine begrenzte Lebensdauer hat. Bei großvolumigen Flüssigkeitsbädern kostet eine Füllung meist mehr als das ganze Bad.

Zu beachten:

1. Eintauchtiefe

Ein Schlüsselfaktor bei der Auswahl von Flüssigkeitsbädern ist die Eintauchtiefe. Für höchste Genauigkeit und kleinste Messunsicherheiten müssen die Temperaturfühler ausreichend eingetaucht werden. So wird verhindert, dass die Wärme entlang des Schutzrohres abfließt. Diese Wärmeableitung verursacht merkliche Fehler. Auf den so genannten „Wärmeableitungsfehler“ wird im Kapitel über „Fehlerquellen“ näher eingegangen.

Die BIPM (Internationales Büro für Maß und Gewicht)-Veröffentlichung „Supplementary Information for the ITS-90“ schreibt vor, dass Thermometer in einem Temperaturbereich von –50°C bis +50°C zwischen 15 und 20 cm eingetaucht werden müssen und im Temperaturbereich von 200°C und mehr zwischen 20 und 27 cm.

2. Grenzen der umgewälzten Flüssigkeitsbäder

Die maximale Arbeitstemperatur dieser Gerätetypen ist begrenzt durch die Auswahl der verfügbaren Flüssigkeiten. Silikonöle können nicht durchgehend bis zu 300°C benutzt werden. Der bei hohen Temperaturen entstehende Silikonqualm oder Alkoholdampf muss abgesaugt und der Raum gut gelüftet werden. Eine ausreichende Belüftung des Arbeitsplatzes ist generell notwendig. Um dieser Problematik zu entgehen, können auch flourierte Flüssigkeiten verwendet werden. Diese sind sicher und inert, jedoch sehr teuer und verdampfen sehr schnell.

Temperaturbereich von 300°C bis 700°C

1. Salzbäder

Um oberhalb des Temperaturbereiches der Ölbäder kalibrieren zu können, werden Salzbäder eingesetzt. Als Kalibriermedium wird ein Gemisch verwendet, das hauptsächlich aus Kalium- und Natriumnitrat besteht. Bei Raumtemperatur ist dieses Gemisch fest. Es schmilzt bei steigenden Temperaturen. Diese Geräte können bis ca. 550°C eingesetzt werden.

Leider ist der Einsatz dieser Geräte gefährlich. Es besteht das Risiko der Eruption, die durch Wassertropfen ausgelöst werden kann. Zudem kann die Verwendung von falschem Salz oder Aluminium/Magnesium-Materialien im Bad zu Explosionen führen. Ein weiterer Nachteil ist, dass sich das Salz sehr aggressiv verhält und einige Metall- und Glasschutzrohre direkt angreifen kann. Bevor ein Salzbad eingesetzt wird, sollte eine umfangreiche Risikoabschätzung durchgeführt werden.

2. Fluidisierte Öfen

Eine sicherere Alternative zu den Salzbädern ist der fluidisierte Ofen. In diesem Ofen wird als Wärmeträger anstatt Öl oder Salz inertes Aluminiumoxydpulver verwendet. In den Ofen eingelassene Luft dient als Träger des Aluminiumpulvers, welches gleichmäßig in dem Kalibriervolumen verwirbelt wird. Es existieren unterschiedliche Konstruktionstypen solcher fluidisierter Öfen. Einige von ihnen werden nicht mehr gerne verwendet, da diese das Pulver in das Labor abgegeben und damit verstaubt haben. Eine bessere Konstruktion ist ein geschlossenes System, das kein Pulver in die Umgebung entlässt. Das sind zentrische Doppelkammerbäder, die bis zu einer Temperatur von 700°C arbeiten können.

Temperaturbereich von 700°C bis 1300°C

1. Kalibrieröfen

Werden Kalibriervorrichtungen für höhere Temperaturbereiche benötigt, werden elektrisch beheizte Öfen verwendet. Das sind Rohröfen, die üblicherweise einen internen Metallblock, den so genannten Ausgleichsblock benutzen, um ein Kalibriervolumen zu bilden. Bei höheren Temperaturen sollten diese Metall-Ausgleichsblöcke vorsichtig angewendet werden, da sie in reduzierender Atmosphäre, also in sauerstoffarmer Umgebung, die Thermoelemente verschmutzen können.

Alternativ zu dem Rohrofen gibt es den zentrischen Spherischen Ofen (Kugelofen). Bei diesen Kugelöfen treten im Vergleich zu den Rohröfen die Probleme des Temperaturgradienten und der Wärmeableitung nicht auf. Bei dem Kugelofen konzentriert sich die Wärme in der Mitte und wird über Keramikrohre in die Mitte transportiert. Ein weiterer Vorteil des Kugelofens ist, dass die verwendete „Keramikspinne“ komplett metallfrei ist und somit die zu kalibrierenden Thermoelemente nicht verschmutzt.

Normalthermometer

1. SPRTs - Normal-Platinwiderstandsthermometer

In einem Sekundärlabor werden Normalthermometer zur Vergleichskalibrierung verwendet. Dabei werden die zu kalibrierenden Fühler mit einem Normalthermometer verglichen. Die ITS-90 schreibt vor, ein SPRT bis zum Erstarrungspunkt von Silber (961,78°C) zu benutzen. Jedoch werden SPRTs in der Praxis üblicherweise nur bis 660°C benutzt. Für höhere Temperaturen werden Normal-Thermoelemente verwendet.

SPRTs sind in zwei Varianten erhältlich. Entweder sind sie in Quarzglas gefasst oder von einem Metallmantel umgeben. Die in Metall gefassten Thermometer sind jedoch nicht, wie zu erwarten, robuster. Die interne Konstruktion eines SPRTs ist immer sehr zerbrechlich. Das Glasthermometer erinnert den Anwender stets daran, dass das Gerät zerbrechlich ist und somit wird das in Glas gefasste Thermometer oftmals mit mehr Vorsicht behandelt.

SPRTs besitzen normalerweise einen Nennwiderstand von 25,5 oder 100 Ohm bei einer Temperatur von 0°C. Der Widerstand 25,5 Ohm wurde gewählt, da bei diesen Thermometern eine Temperaturänderung von 1°C zu einer Änderung von 0,1 Ohm führt. Mit dieser Empfindlichkeit lassen sich Temperaturdifferenzen leicht berechnen.

Ein weiterer Vorteil ist, dass ein 25 Ohm Thermometer mit einem dickeren Draht gefertigt wird als ein 100 Ohm Thermometer. Das führt zu einer größeren Stabilität für 25,5 Ohm Thermometer. Mit steigender Temperatur reduziert sich der elektrische Widerstand eines Glasmantels. Dieser Widerstand wird dann, neben den Platindrähten, zu einem so genannten Parallelwiderstand. Ein 25 Ohm Thermometer wird weniger durch diesen unvermeidbaren Parallelwiderstand beeinflusst.

Thermometer, die bis zum Silberpunkt (961,78°C) arbeiten, haben noch viel niedrigere Messwiderstände. Oftmals werden in diesen Fällen 0,25 Ohm Widerstände verwendet. Auch solche Thermometer sind in Sekundärlaboratorien zu finden.

Es ist zu beachten, dass nicht alle Auswärtsinstrumente einen 25 Ohm Fühler auslesen können.

2. Normal-Thermoelemente

Obwohl die Verwendung von Thermoelementen durch die ITS-90 nicht definiert wird, werden sie doch oft als Normale benutzt, da viele Thermoelementkalibrieröfen praktisch nicht mit SPRTs genutzt werden können.

Normalthermoelemente werden üblicherweise aus Platin und einer Platin-Rhodium-Legierung hergestellt. Die reproduzierbarsten Typen sind Typ R und Typ S. Neben diesen Typen werden auch Platin/Gold-Thermoelemente eingesetzt, da sie sich hochstabil und reproduzierbar verhalten. Gute Thermoelemente benutzen dabei eine physikalische Vergleichsstelle. Für die beste Messunsicherheit wird als Vergleichsstelle ein Eis/Wasser-Gemisch verwendet oder eine automatische Eispunktreferenz bei 0°C. Zum Ausmessen der Thermospannung wird ein präzises Digitalvoltmeter angeschlossen. Weitere Informationen sind in der Veröffentlichung “Techniques for Approximation to ITS-90“ (ISBN 92-822-2110-5) vom BIPM (Internationalen Büro für Maß und Gewicht) zu finden.

Anzeigegeräte

Labor-Auswertgeräte für SPRTs sollten grundsätzlich in der Lage sein, den Eigenerwärmungsfehler korrigieren zu können. Der Eigenerwärmungsfehler ist der Fehler, der durch das interne Aufwärmen des Messwiderstandes entsteht. Er entsteht durch den Messstrom, der benötigt wird, um den Messwiderstand (I2R) auszumessen.

Diese Geräte sollten ebenfalls in der Lage sein, Thermospannungsfehler zu korrigieren. Diese entstehen, da in den SPRTs intern Verbindungen zwischen den unterschiedlichen Materialien bestehen. Zum Beispiel zwischen Platin und Kupfer. Tritt ein Temperaturgradient zwischen diesen Verbindungen auf, wird dadurch eine Thermospannung generiert. Durch das Umschalten der Polarität beim Messen oder durch Wechselspannungsmessungen können diese Fehler beseitigt werden.

Um kleinste Messunsicherheit zu erreichen, müssen Verstärkungsfehler eliminiert werden. Dazu werden Messgeräte benutzt, die nach dem Prinzip der Brückentechnik arbeiten. Sie vergleichen den unbekannten Widerstand mit einem Referenzwiderstand.

Auf höchstem Niveau wird dann ein externer Normalwiderstand in einem temperaturkontrollierten Bad positioniert. Bei anderen Messmethoden müssen die Geräte regelmäßig auf Alterung hin untersucht werden. Es liegt in der Verantwortung des Anwenders sicher zu stellen, dass SPRTs und entsprechende Auswertgeräte immer innerhalb ihrer Spezifikation angewandt und die Kalibrierintervalle beachtet werden.

Es ist empfehlenswert die SPRTs regelmäßig an einem, besser an mehreren Fixpunkten zu überprüfen. Eine Wassertripelpunktzelle kann genutzt werden, um die Alterung von SPRTs zwischen den einzelnen Kalibrierungen zu überprüfen. Das sollte wöchentlich, oder besser noch nach jeder Messung, durchgeführt werden. Stehen ein Wassertripelpunkt und ein Galliumpunkt zur Verfügung, kann der so genannte W-Gallium regelmäßig überprüft werden. Der W-Gallium ist ein Indikator für eine mögliche Verschmutzung des Platinsensors.

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